DE102014001698B3 - Getakteter Komparator mit bipolarem Differenzverstärker - Google Patents

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Abstract

Die Steigerung der Taktraten getakteter Komparatoren mit bipolarem Differenzverstärker (und z. B. daraus aufgebauter A/D-Umsetzer) geschieht bisher im Wesentlichen durch Verbesserungen der Wirkung der Verstärkung der enthaltenen Differenzverstärker in ihrem stromführenden Zustand. Weiter wird die maximale Taktrate aber begrenzt durch die Zeitdauer, die nach einer Umschaltung des Takt-Eingangs zum Abbau der im stromlosen Zustand entstandenen Potentialbarriere über dem Basis-Emitter-pn-Übergang der nunmehr stromführenden Transistoren nötig ist, d. h. der Zeit zur Aktivierung des jeweiligen Differenzverstärkers. Die Erfindung soll diese Zeitdauer reduzieren und damit die Taktrate weiter steigern, wobei die hierzu bekannten Ansätze weiter möglich sein sollen, Der vorhandene Differenzverstärker (212, 213) wird mit einer zusätzlichen Stromquelle (226) versehen, die verhindert, dass dieser in den jeweiligen Taktpausen stromlos wird. Der dadurch entstehende Fehlerstrom des Verstärkers wird durch einen eingangsseitig parallel geschalteten gleichartigen Verstärker (242, 243) mit invers an die Lasteingänge (281, 282) geschalteten Ausgängen und einer weiteren Stromquellen (227) kompensiert, so dass an dem Ausgang des getakteter Komparators (207, 208) durch den zusätzlichen Strom nur ein symmetrischer und konstanter Offset entsteht. Die erfindungsgemäßen zusätzlichen Elemente sind auf der Zeichnung mit einer gestrichelten Linie eingerahmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltung für einen analog arbeitenden Komparator, bei dem mindestens ein Differenzverstärker mit bipolaren Transistoren enthalten ist, welcher mit einem Takt-Eingangssignal gesteuert wird.
  • Ein Komparator in der Analogtechnik ist eine elektronische Schaltung, die zwei Spannungen am Vergleichs-Eingang vergleicht, und das Ergebnis als binäres Signal ausgibt. Oft geschieht dieser Vergleich zu einem bestimmten (meist periodisch wiederkehrenden) Zeitpunkt, von einem weiteren Eingangssignal an einem weiteren Eingang, der im Folgenden „Takt-Eingang” genannt wird, gesteuert (strobed comparator). Solche getaktete Komparatoren sind u. a. wichtige Bausteine von Analog/Digital-Umsetzem (siehe z. B. [1], S. 181–197 und [2], S. 116–122). Komparatoren für hohe Taktraten haben sowohl zwei Leitungen als differentieller Vergleichs-Eingang als auch für den differentiellen Takt-Eingang und für den differentiellen (Daten-)Ausgang. Während deren Vergleichs-Eingang einen differentiellen Analogwert empfängt, gibt der differentielle Ausgang einen differentiellen Binärwert aus (eine Differenzspannung > 0 wird z. B. als '1' von den nachfolgenden Schaltungen interpretiert oder < 0 als '0'); es geschieht also eine Analog-Digital-Wandlung mit 1 Bit Datenbreite.
  • Häufig wird als Vergleichsschaltung ein Differenzverstärker aus bipolaren Transistoren verwendet. Wird der Komparator getaktet, so hat dieser Differenzverstärker am Eingang des Komparators meist zwei Zustände. Liegt am Takt-Eingang (auch Strobe-Eingang genannt) der für das Aktivieren der Vergleichsfunktion festgelegte binäre Wert (z. B. eine '1' bzw. eine positive differentielle Spannung) an, so werden die beiden am Vergleichs-Eingang anliegenden analogen Spannungswerte verglichen. In diesem ersten Zustand führt der Differenzverstärker seinen vollen Betriebsstrom und arbeitet als aktiver Verstärker. Dieser Taktzustand soll im Folgenden „Eingangsphase” genannt werden. Liegt am Takt-Eingang der andere der beiden binären Werte (z. B. eine '0 bzw. eine negative differentielle Spannung) an, so wird der Signalfluss vom Vergleichs-Eingang zum Daten-Ausgang unterbrochen und oft auch der aktuell am Daten-Ausgang vorhandene logische Wert gespeichert. Dieser Taktzustand soll im Folgenden „Speicherphase” genannt werden. In dieser Phase beeinflusst das Signal am Vergleichs-Eingang nicht das Signal am Daten-Ausgang. Die Definition von '1' und '0' am Takt-Eingang für Eingangs- und Speicherphase wird im Folgenden verwendet; sie ist aber willkürlich und könnte auch umgekehrt definiert werden.
  • Komparatoren mit bipolaren Differenzverstärkern am Eingang werden eingesetzt, wenn eine geringer Spannungsfehler nötig ist, oder bei Taktraten, die höher sind, als mit kostengünstiger CMOS-Technologie erreichbar ist, besonders für A/D-Umsetzer für faseroptische Kanäle, sowie für Messgeräte zum Test von seriellen Telekommunikationskanälen. Da die Datenraten von seriellen Telekommunikationskanälen ständig steigen, besteht ein permanenter Bedarf nach einer Erhöhung der maximalen Taktraten von A/D-Umsetzem, und damit der Komparatoren mit bipolaren Differenzverstärkern, die viele A/D-Umsetzer enthalten. Ist man bei einer bestimmten Halbleitertechnologie an der Grenze der maximalen Taktrate angelangt, kann diese Begrenzung oft nur durch Wechsel zu einer anderen – meist wesentlich teureren – Halbleitertechnologie hinausgeschoben werden. Oft besteht diese Möglichkeit des Umstiegs auf eine schnellere Halbleitertechnologie nicht, zum Beispiel weil komplexe Schaltungen realisiert werden sollen, welche nur mit auf Silizium basierenden Technologien möglich sind.
  • 1 zeigt eine allgemeine bekannte Form eines getakteten Komparators mit bipolarem Differenzverstärkem für hohe Datenraten (z. B. in [1]: 7.25, S. 186). Er hat einen differentiellem Eingang aus positivem (102) und negativem (103) Vergleichs-Eingangssignal, ein differentielles Takt-Eingangssignal (104, 105), einen differentiellen Ausgang (107, 108) sowie Anschlüsse für positive und negative Betriebsspannung (101, 106). Dabei symbolisiert der Block (171) am Vergleichs-Eingang (102, 103) einen oft vorhandenen ungetakteten Vorverstärker. Dieser hat zwei Hauptfunktionen: Erhöhung der Gesamtverstärkung und damit der Auflösung sowie Reduzierung des „Kickback” des getakteten Differenzverstärkers zurück auf den Eingang. Ist dieser ungetaktete Vorverstärker nicht vorhanden, so werden in diesem Block (171) einfach die Leitungen des Vergleichs-Eingangssignals (102, 103) weitergeführt. Danach wird das differentielle analoge Signal mit einer Differenzstufe (112, 113) verstärkt und führt als Differenzstrom an den Eingängen (181, 182) der Lastschaltung (172) zu einer Differenzspannung an deren Ausgängen (183, 184), wenn ein positives Takt-Eingangssignal mittels des Stromschalters (114, 129) diese Eingangs-Differenzstufe (112, 113) aktiviert, indem der Strom der Haupt-Stromquelle (115) durch diese Differenzstufe (112, 113) fließt. Enthält die Lastschaltung (172) nur zwei Lastwiderstände, sind ihre Eingänge (181, 182) mit ihren Ausgängen (183, 184) verbunden. Dieser Zustand positiven Taktsignals, in dem der Strom der Haupt-Stromquelle (115) durch die Eingangs-Differenzstufe (112, 113) fließt, ist die Eingangsphase des Komparators. Für hohe Datenraten ist das Taktsignal meist eine sich ununterbrochen wiederholende differentielle Sinusspannung. Ist sie positiv, ist der Komparator in der Eingangsphase. Ist sie negativ, ist der Komparator in der Speicherphase. Daher ist die Bezeichnung „Takt” für hohe Datenraten passender als „Strobe”. In dieser Eingangsphase beeinflusst das differentielle analoge Signal am Eingang (102, 103) das binäre Signal am Ausgang (107, 108). Ein positives differentielles Signal am Eingang (102, 103) führt zu einem positiven differentiellen Signal am Ausgang (107, 108). Hierbei führt das Signal am positiven Eingang (102) zum negativen Eingang (182) der Lastschaltung (172), weil die Emitterschaltung des zugeordneten Transistors (112) der Eingangs-Differenzstufe (112, 113) das Signal invertiert. Von den Ausgängen (183, 184) der Lastschaltung (172) führt das differentielle Signal über eine meist vorhandene Ausgangsschaltung (173) – welche die Last am Ausgang (107, 108) entkoppelt von den internen Ausgängen (183, 184) der Lastschaltung (172) und oft auch das Ausgangssignal in der Speicherphase speichert – zum differentiellen Ausgang (107, 108) des Komparators. Ist diese Ausgangsschaltung (173) nicht vorhanden, so werden in diesem Block (173) einfach die Leitungen des differentiellen Ausgangssignals (183, 184) der Lastschaltung (172) an den differentiellen Ausgang (107, 108) des Komparators weitergeführt. In [1], 7.25, gehören Q1–Q6 mit R1 und R2 zum ungetakteten Vorverstärker (171), Q7 und Q8 sind die getaktete Eingangs-Differenzstufe (112, 113) mit R3 und R4 als Lastschaltung (172), Q13, Q14 und IEE2 sind deren Stromschalter (114, 129) und die Haupt-Stromquelle (115), Q9–Q12 bilden die Ausgangsschaltung (173), die über den invers getakteten Stromschalter-Transistor 014 in der Speicherphase den Strom der Haupt-Stromquelle (115) erhält, wobei Q9 und Q10 als Speicher-Differenzstufe in der Ausgangsschaltung (173) durch positive Rückkopplung das Ausgangssignal in der Speicherphase speichern. Hingegen ist 1 allgemein gehalten und soll auch Komparatoren ohne Speicher-Differenzstufe umfassen, weshalb der Strom der Haupt-Stromquelle (115) in der Speicherphase nicht einer Speicher-Differenzstufe zugeführt wird, sondern über den invers getakteten Stromschalter-Transistor (129) direkt zur positiven Betriebsspannung geleitet.
  • Eine volle Taktperiode des Komparators besteht aus einer Eingangsphase (in der das Taktsignal positiv ist) und einer Speicherphase (in der das Taktsignal negativ ist). Die Eingangsphase besteht aus zwei Teilphasen: einer Aufbauphase und einer Betriebsphase. Zunächst wird in der Aufbauphase die Eingangs-Differenzstufe (112, 113) aktiviert, indem sie aus dem stromlosen Zustand in einen Zustand, in dem sie den Strom der Haupt-Stromquelle (115) führt, gebracht wird. Dabei baut die positive Flussspannung zwischen Basis und Emitter eines oder beider (je nach Vergleichs-Eingangssignal) Transistoren der Eingangs-Differenzstufe (112, 113) die Potentialbarriere über dem Basis-Emitter-pn-Übergang ab, die im stromlosen Zustand vorhanden war, und die in die Basiszone eindiffundierten Elektronen breiten sich in der Basiszone aus. Die für diesen Übergang nötige Zeitdauer soll im Folgenden „tMin_aufbau_eingang” genannt werden. Sie wird im Wesentlichen durch die hierzu nötige Ladung, die Flussspannung der Emitterdiode und die Summe der Transistor-Bahnwiderstände an Emitter und Basis bestimmt. Annähernd lässt sie sich als Produkt der Kapazität des Basis-Emitter-Übergangs in Durchlassrichtung und des Wertes des Basis-Bahnwiderstands berechnen. Dies sind Werte, die aus der verwendeten Halbleitertechnologie resultieren und für eine gegebene Technologie konstant sind. Dieser Aufbauphase der Eingangsphase folgt die Betriebsphase der Eingangsphase, in der die Eingangs-Differenzstufe als Verstärker des Vergleichs-Eingangssignals wirkt, und die Spannung am Eingang verstärkt an der Lastschaltung (172) und über die Ausgangsschaltung (173) am Ausgang (107, 108) ausgegeben wird. Auch die Umladung von Lastkapazitäten geschieht in dieser Betriebsphase der Eingangsphase. Die für diese Veränderung des Ausgangssignals nötige Zeitdauer soll im Folgenden „tMin_betrieb_eingang” genannt werden. Die Größe von tMin_betrieb_eingang ist ein wichtiger Summand für die minimal mögliche Taktperiodendauer. Die meisten bekannten Ansätze zur Steigerung der Taktrate eines Komparators zielen auf Beschleunigung der Betriebsphase der Eingangsphase ab, und damit auf die Verringerung von tMin_betrieb_eingang. Enthält die Ausgangsschaltung (173) eine Speicher-Differenzstufe, so besteht ebenso die der Eingangsphase folgende Speicherphase aus zwei Teilphasen: einer Aufbauphase und einer Betriebsphase. Zunächst wird in der Aufbauphase der Speicherphase die Speicher-Differenzstufe in der Ausgangsschaltung (173) aktiviert, indem sie aus dem stromlosen Zustand in einen Zustand, in dem sie den Strom der Haupt-Stromquelle (115) führt, gebracht wird. Die für diesen Übergang nötige Zeitdauer soll im Folgenden „tMin_aufbau_speicher” genannt werden. Sie entspricht in der Größe etwa der Zeitdauer tMin_aufbau_eingang. Dieser Aufbauphase folgt wieder eine Betriebsphase, in der die positive Rückkopplung der Speicher-Differenzstufe als Verstärker des gespeicherten an den Lastwiderständen anliegenden Signals wirkt. Ist die Betriebsphase der Speicherphase lange genug, fließt schließlich der gesamte Strom der Haupt-Stromquelle (115) durch einen der beiden Eingänge (181, 182) der Lastschaltung (172), und die gespeicherte Spannung ist auf ihren Nominalwert (z. B. das Produkt des Wertes eines Lastwiderstands und des Strombetrags der Haupt-Stromquelle) regeneriert. Die für diese Verstärkung des gespeicherten Signals mindestens nötige Zeitdauer soll im Folgenden „tMin_betrieb_speicher” genannt werden. Anders als in der Eingangsphase ist in der Speicherphase eine Verstärkung des Ausgangssignals nicht unbedingt nötig, denn bei hohen Taktraten ist die positive Rückkopplung der Speicher-Differenzstufe zu langsam, um wesentlich zur Signalverstärkung beizutragen, so dass die Gesamtverstärkung des Komparators von der Verstärkung der Eingangs-Differenzstufe in der Betriebsphase der Eingangsphase bestimmt wird. Wohl aber ist die Aufbauphase der Speicherphase nötig, damit die Speicher-Differenzstufe überhaupt als Speicher arbeitet. Die minimal nötige Dauer für tMin_betrieb_speicher ist somit nahe Null, so dass die Mindestdauer der Speicherphase von tMin_aufbau_speicher bestimmt wird. Wenn die positive und negative Halbperiode des Takts gleich lang sind, bestimmt die Mindestdauer der Eingangsphase die Mindestdauer einer halben (und damit der ganzen) Taktperiode, denn tMin_aufbau_eingang + tMin_betrieb_eingang ist größer als tMin_aufbau_speicher + tMin_betrieb_speicher, da tMin_betrieb_speicher nahe Null ist und die beiden Aufbauphasen etwa gleich lange dauern. Die für maximale Taktrate minimal mögliche Taktperiode ist bei sinusförmigem Taktsignal das Doppelte der längsten Halbperiode, also 2·(tMin_aufbau_eingang + tMin_betrieb_eingang). Damit der Komparator bei höherer Taktrate arbeiten kann, muß also diese Summe verringert werden. Da tMin_aufbau_eingang von der Halbleitertechnologie abhängt und sonst nicht verringerbar scheint, haben sich, um die Grenze der maximalen Taktrate von getakteten Komparatoren zu höheren Taktraten zu verschieben, die bekannten schaltungstechnischen Methoden vor allem auf die Verringerung von tMin_betrieb_eingang fokussiert.
  • Bekannte Methoden zur Steigerung der maximalen Taktrate von Komparatoren sind aufgeteilte Lastwiderstände und Verringerung parasitärer Kapazitäten (siehe auch [2], Abschnitt 4.4.3). Weit verbreitet ist die Verringerung parasitärer Kapazitäten an den Lastwiderständen, vor allem durch ein oder mehrere Paare von Emitterfolgern wie in 7.25 von [1], so dass die Last am Ausgang (107, 108) und der Eingang der Speicher-Differenzstufe (132, 133) nicht die internen Knoten an den Lastwiderständen (110, 111) belasten. Insgesamt sind die Möglichkeiten zur Steigerung der maximalen Taktrate für einen herkömmlichen Komparator begrenzt, da die nötige Dauer der Aufbauphase der Eingangsphase weitgehend konstant bleibt und so zur minimalen Dauer einer Halbperiode des Taktes wesentlich beiträgt. Eine Ausnahme bildet der Ansatz, die Eingangs-Differenzstufe (112, 113) ständig stromführend zu halten ([1], 7.26). Die Taktung erfolgt dann aber über zwei Kaskodenpaare (Q5–Q8 in [1], 7.26), von denen jeweils ein Paar stromlos ist, während das andere den Betriebsstrom führt. Die nötige Dauer der Aufbauphase der Eingangsphase bleibt aber bei diesem Ansatz im Wesentlichen unverändert, denn auch hier muss immer ein Transistorpaar aus dem stromlosen in den stromführenden Zustand gebracht werden.
  • Hauptvorteil dieser Schaltung nach [1], 7.26, ist also nicht die direkte Beschleunigung der Komparatorfunktion, sondern die Verringerung des sogenannten Kickback-Strom-Pulses, der beim Umladen der bisher inaktiven Basis-Emitter-Übergänge auf den differentiellen Eingang (102, 103) des Komparators zurück wirkt. Das kann indirekt zu einer Erhöhung der maximalen Taktrate des Komparators führen, weil der reduzierte Kickback es erlauben kann, den ungetakteten Vorverstärker wegzulassen, und so dessen Durchlaufzeit des Eingangssignals entfällt, so dass die nötige Dauer der Betriebsphase der Eingangsphase tMin_betrieb_eingang um diese Durchlaufzeit verkürzt wird.
  • Eine weitere bekannte Ausführung eines Komparators für hohe Geschwindigkeit ist in [3] angegeben. Sie enthält einen zweistufigen Eingangs-Differenzverstärker (Q1/Q2 und Q3/Q4 in 4 von [3]). Aber auch hier wird der Eingangs-Differenzverstärker über das Taktsignal ϕ1 zeitweise stromlos geschaltet, so dass die Zeitdauer tMin_aufbau_eingang zum Aufbau der verstärkenden Funktion der Eingangs-Differenzstufe nicht vermindert wird.
  • Eine weitere bekannte Ausführung eines Komparators ist in [4] angegeben. Sie enthält einen zweistufigen Eingangs-Differenzverstärker (20/21 und 24/25 mit 22/23 in 1 von [4]). Aber auch hier wird der Eingangs-Differenzverstärker über das Taktsignal CLOCK und die Stromschalter (15 und 16 in 1 von [4]) zeitweise stromlos geschaltet, so dass die Zeitdauer tMin_aufbau_eingang zum Aufbau der verstärkenden Funktion der Eingangs-Differenzstufe nicht vermindert wird.
  • Die vorliegende Erfindung hat zwei Aufgaben: Erstens soll die Zeitdauer tMin_aufbau_eingang zum Aufbau der verstärkenden Funktion der Eingangs-Differenzstufe (112, 113) wesentlich vermindert werden und damit wesentlich höhere Taktraten zu ermöglicht werden, ohne dass eine Veränderung der zugrunde liegenden Halbleitertechnologie nötig ist. Zweitens soll der Wert des Kickback-Pulses wesentlich verringert werden, was einen ungetakteten Vorverstärker im Block (171) am Vergleichs-Eingang (102, 103) entbehrlich machen kann. Dadurch kann die Gesamtverzögerung des Komparators sinken und dieser mit noch höherer Taktrate betrieben werden. Aus Sicht maximaler Taktrate ist es nämlich besser, die erforderliche Gesamtverstärkung durch nachgeschaltete getaktete Verstärkerstufen zu erreichen, als durch vorgeschaltete ungetaktete Verstärkerstufen, welche die Durchlaufzeit pro Taktperiode erhöhen und so die minimale Taktperiodendauer vergrößern. Parallel dazu sollen die üblichen Methoden, die über die Verringerung von tMin_betrieb_eingang die maximale Taktrate steigem, weiterhin uneingeschränkt möglich sein.
  • Die vorliegende Erfindung verwendet das Prinzip aus 1, aber überwindet den Nachteil einer nicht verringerbaren erforderlichen Zeit (tMin_aufbau_eingang) zum Aufbau der Verstärkungsfähigkeit der Eingangs-Differenzstufe (212, 213) sowie den Nachteil eines großen Kick-back-Impulses, indem wie in 2 dargestellt:
    • – mit dem gemeinsamen Emitterknoten der Eingangs-Differenzstufe (212, 213) neben der über einen differentiellen Stromschalter (214, 229) vom Takt-Eingang (204, 205) gesteuerten Haupt-Stromquelle (215) eine zweite, zusätzliche Stromquelle (226) verbunden ist, so dass die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) auch außerhalb der Eingangsphase einen Strom führt,
    • – parallel zu den Basis- und Kollektoranschlüssen der Eingangs-Differenzstufe (212, 213) eine zweite, zusätzliche Differenzstufe (242, 243) mit einer dritten, zusätzlichen Stromquelle (227) am gemeinsamen Emitterknoten dieser zweiten Differenzstufe (242, 243) angeschlossen ist. Dabei ist jeder der Transistoren (242, 243) dieser zweiten Differenzstufe an seinem Basisanschluss mit dem Basisanschluss eines der Transistoren der Eingangs-Differenzstufe (212, 213) verbunden, und an seinem Kollektoranschluss mit dem Kollektoranschluss des jeweils anderen der Transistoren der Eingangs-Differenzstufe (213, 212) verbunden. Diese zusätzliche Differenzstufe (242, 243) wird im Folgenden „Eingangs-Kompensations-Differenzstufe” genannt.
  • Zum besseren Erkennen der erfindungsgemäßen Neuerungen wurden in 2 die neuen Elemente mit einem gestrichelten Rahmen versehen.
  • Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet allgemein, dass erstens die herkömmliche Eingangs-Differenzstufe (212, 213) auch in ihren jeweiligen Taktpausen, in denen sie im herkömmlichen Komparator stromlos ist, von Strom aus einer zusätzlichen Stromquelle (226) durchflossen wird. Dadurch wird die Zeit (tMin_aufbau_eingang) zum Aufbau der Verstärkung der Eingangs-Differenzstufe (212, 213) erheblich vermindert, da die Aufbauphase nicht aus dem stromlosen Zustand des Basis-Emitter-Übergangs begonnen wird. Gleichzeitig verringert sich der Betrag des Kickback-Strom-Pulses, der beim Umladen der bisher inaktiven Basis-Emitter-Übergänge auf den differentiellen Eingang (202, 203) des Komparators zurück wirkt, weil weniger Ladung in die nunmehr ständig aktiven Basis-Emitter-Übergänge transportiert werden muss. Es entsteht aber auch ein Fehlerstrom dieser Eingangs-Differenzstufe (212, 213), der zu einer Fehlerspannung an der Lastschaltung (272) führt. Als Fehlerstrom wird hier jede Abweichung des differentiellen Ausgangsstromes der Eingangs-Differenzstufe (212, 213) zur Eingangs-Differenzstufe (112, 113) im herkömmlichen Komparator angesehen. Wäre der Komparator nur mit der zusätzlichen Stromquelle (226) erweitert und im Zustand der Speicherphase, würde dieser Fehlerstrom bewirken, dass der am Eingang anliegende neue Wert das Speichern des bisherigen Wertes behindert, d. h. behindern, dass der Signalfluss vom Eingang (202, 203) zum Ausgang (207, 208) unterbrochen wird. Viele Komparator-Anwendungen benötigen aber eine solche Unterbrechung bzw. Speicherung. Daher beinhaltet die erfindungsgemäße Lösung zweitens eine Schaltung zur Kompensation dieses Fehlerstromes. Die zweite, zusätzliche Stromquelle (226) wird durch eine dritte, zusätzliche Stromquelle (227), welche einen Strom gleichen Betrags liefert, und mit einer zusätzlichen Differenzstufe (242, 243) ergänzt. Der Fehlerstrom teilt sich je nach momentaner differentieller Eingangsspannung an der Eingangs-Differenzstufe (212, 213) auf die beiden Eingänge (281, 282) der Lastschaltung (272) auf. Daher wird mit der zusätzlichen Differenzstufe (242, 243), die am Emitterknoten mit einem gleich großen Strom von der dritten, zusätzlichen Stromquelle (227) gespeist wird, ein gleich großer Fehlerstrom erzeugt. Da die zusätzliche Differenzstufe (242, 243) am Eingang zur bisherigen Differenzstufe (212, 213) parallel geschaltet ist, teilt sich auch der Ausgangsstrom der zusätzlichen Differenzstufe (242, 243) genauso auf wie der Fehlerstrom am Ausgang der jeweils parallel geschalteten Eingangs-Differenzstufe (212, 213). Erfindungsgemäß werden die Kollektoren der zusätzlichen Differenzstufe (242, 243) an die Kollektoren der Eingangs-Differenzstufe (212, 213) des jeweils anderen, inversen Zweiges der Eingangs-Differenzstufe angeschlossen, mit dem der Transistor der zusätzlichen Differenzstufe (242, 243) nicht am Basisanschluss parallel geschaltet ist. Damit wird der Fehlerstrom, der von der bisherigen Differenzstufe (212, 213) in den positiven Eingang (281) der Lastschaltung (272) gespeist wird, in gleicher Größe von der am Eingang parallel geschalteten Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (242, 243) als Kompensationsstrom in den negativen Eingang (282) der Lastschaltung (272) gespeist, und umgekehrt der Fehlerstrom, der in den negativen Eingang (282) der Lastschaltung (272) gespeist wird, in gleicher Größe als Kompensationsstrom in den positiven Eingang (282) der Lastschaltung (272) gespeist. Die Summe des Fehlerstroms und des Kompensationsstroms ist an beiden Eingängen (281, 282) der Lastschaltung (272) gleich und zeitlich konstant. Die Gesamtwirkung des Fehlerstroms und des Kompensationsstroms an beiden Eingängen (281, 282) der Lastschaltung (272) ist also ein konstanter und zudem an beiden Ausgängen (283, 284) der Lastschaltung (272) gleich großer Offset. Obwohl die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) in ihrer Taktpause (in der Speicherphase) aktiv bleibt, ist somit der resultierende Fehler der Differenzspannung an beiden Ausgängen (283, 284) der Lastschaltung (272) Null. Das gilt auch dynamisch bei Änderungen am Eingang der Eingangs-Differenzstufe (212, 213), weil sich diese Änderungen mit gleicher Größe und gleicher Geschwindigkeit auf die jeweils eingangsseitig parallel geschaltete und ausgangsseitig invertiert parallel geschaltete zusätzliche Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (242, 243) auswirken. In einem erfindungsgemäßen Komparator kann also die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) in ihren Taktpausen von Strom durchflossen bleiben, so dass die erforderliche Zeit zur Aktivierung der Eingangs-Differenzstufe (212, 213) erheblich reduziert wird, was zu einer wesentlichen Steigerung der maximalen Taktrate für einen erfindungsgemäßen Komparator führt.
  • Gleichzeitig verringert sich der Betrag des Kickback-Strom-Pulses, der beim Umladen der bisher inaktiven Basis-Emitter-Übergänge auf den differentiellen Eingang (202, 203) des Komparators zurück wirkt, weil weniger Ladung in die nunmehr ständig aktiven Basis-Emitter-Übergänge transportiert werden muss, was einen ungetakteten Vorverstärker im Block (271) am Vergleichs-Eingang (202, 203) entbehrlich machen kann. Dadurch kann die Gesamtverzögerung des Komparators sinken und dieser mit noch höherer Taktrate betrieben werden.
  • Anspruch 1 betrifft die erfindungsgemäße Struktur, die in 2 dargestellt wird. In manchen Anwendungen dieser Erfindung muss der Fehlerstrom nicht völlig kompensiert werden. Meist ist es jedoch vorteilhaft, dass der Strom, welchen die zusätzliche zweite Stromquelle (226) an die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) liefert, zumindest annähernd so groß ist wie der Strom, den die zusätzliche dritte Stromquelle (227) an die Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (242, 243) liefert, so dass der Fehlerstrom kompensiert werden kann. Anspruch 2 betrifft diesen häufigsten Fall.
  • Parallel dazu sind die bekannten Methoden zur Steigerung der maximalen Taktrate weiterhin uneingeschränkt möglich, so dass die erfindungsgemäße und die herkömmlichen Methoden vorteilhaft kombiniert werden können.
  • In 2 sind die ungetaktete zweite Stromquelle (226) und die getaktete Haupt-Stromquelle (215) voneinander separat dargestellt. Anspruch 3 betrifft eine Ausführung, bei der diese separaten Stromquellen auch durch separate Bauelemente realisiert werden. Sie können dabei monolithisch auf demselben Schaltkreis integriert sein, sind jedoch an verschiedenen Orten auf dem Schaltkreis lokalisiert.
  • 3 zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Komparators. Der invers getaktete Stromschalter-Transistor (229), der in 2 außerhalb der Eingangsphase (in der Speicherphase) den Strom der Haupt-Stromquelle (215) aufnahm, ist hier entfallen. Auch den in 2 damit verbundenen negative Teil (205) des Takt-Eingangs gibt es in 3 nicht, der Takt-Eingang ist hier also nicht mehr differentiell. Statt dessen gibt es einen anderen Eingang (305), an den eine Gleichspannung angeschlossen wird, und zwar der niedrigere der beiden am positiven Takt-Eingang (304) vorkommenden Gleichspannungspegel des Taktsignals (der einer '0' entspricht). Der verbleibende positive Takt-Eingang (304) ist nicht differentiell. Hier sind Bias und Amplitude des positiven Takt-Eingangssignals (304) so gewählt, dass der Stromschalt-Transistor (315a) auch in seinen Taktpausen, d. h. in der Speicherphase, einen Strom führt. Bei geeigneter Ansteuerung umfassen der Stromschalt-Transistor (315a) und der Widerstand (315b) die Funktionen sowohl einer getakteten Stromquelle (215 und 214, 229) als auch einer permanenten Stromquelle (226). Der Stromschalt-Transistor (315a), dessen Laststrom vom Taktsignal (304) zwischen zwei Werten umgeschaltet wird, und der Widerstand (315b) an dessen Emitter liefern also einen Strom zum Emitterknoten der Eingangs-Differenzstufe (312, 313), der sich zusammensetzt aus einem vollständig getakteten Anteil und einem permanenten Anteil. Die Wirkung dieser Summe der beiden Stromanteile ist die gleiche wie die Wirkung der Stromsumme, die in 2 durch Parallelschaltung des als vollständigen Stromschalter betriebenen und von der Haupt-Stromquelle (215) gespeisten Transistors (214) mit der zweiten, zusätzlichen Stromquelle (226) entsteht. In der Variante nach 3 entsteht ebenso ein Fehlerstrom durch den Gleichanteil des Stromes zum Emitterknoten der Eingangs-Differenzstufe (312, 313), der auch in der Speicherphase fließt. Dieser Gleichanteil ist der Laststrom des Stromschalt-Transistor (315a), wenn am positiven Takt-Eingang (304) derjenige Gleichspannungspegel des Taktsignals anliegt, der einer '0' entspricht. Wird dieser Pegel auch am Gleichspannungs-Eingang (305) angeschlossen, und sind die Widerstände am jeweiligen Emitter (315b und 327b) gleich groß, so ist dieser Gleichanteil ebenso groß wie der Strom am Emitterknoten der Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (342, 343), der von der Stromquelle geliefert wird, die durch den am Gleichspannungs-Eingang (305) angeschlossenen Transistor (327a) und den Widerstand (327b) an dessen Emitter gebildet wird. Über die Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (342, 343) wird damit dieser Gleichanteil kompensiert, wie oben beschrieben. Neu ist an 3 gegenüber 2 vor allem, dass die zweite Stromquelle (226) an der Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (212, 213) kein separates Bauelement mehr ist, sondern ein permanenter Stromanteil in demselben Transistor, der auch den getakteten Strom der Haupt-Stromquelle (215) führt, so dass Haupt-Stromquelle (215), deren Stromschalter (214, 229) und zweite Stromquelle (226) in dem getakteten Stromschalt-Transistor (315a) und dem Widerstand (315b) an dessen Emitter vereinigt sind. Damit gerät auch dieser Stromschalt-Transistor (315a) nicht mehr in einen stromlosen Zustand, wie es noch in 2 bei dem Stromschalter (214, 229) war, welcher durch den Takt-Eingang (204, 205) ganz aus- und eingeschaltet wurde. Auf diese Weise verringert sich in 3 die Verzögerung, mit der der Stromschalt-Transistor (315a) auf das Taktsignal reagiert, im Vergleich zum Stromschalter (214, 229) in 2. Ist das Taktsignal (wie meist bei hohen Taktraten) periodisch, so wirkt diese Verzögerung wie eine Phasenverschiebung des Taktsignals, und eine reduzierte Verzögerung mit der Variante nach 3 ist kein funktioneller Gewinn. Jedoch in Anwendungsfällen, in denen der Komparator so schnell wie möglich auf ein (nicht periodisches) Takt-Eingangssignal (304) reagieren soll (strobed comparator), kann diese reduzierte Verzögerung der Komparatorfunktion auf das Takt-Eingangssignal (304) mit der Variante nach 3 vorteilhaft sein. Anspruch 4 betrifft eine solche Ausführung, bei der die getaktete Haupt-Stromquelle (215) und die ungetaktete zusätzliche zweite Stromquelle (226) von den gleichen Bauelementen (315a, 315b) gebildet werden.
  • Der Takt-Eingang kann also differentiell (204, 205) oder nicht differentiell (304) ausgeführt werden. Die Ansprüche 5 und 6 betreffen die jeweiligen Varianten.
  • Der dem getakteten Differenzverstärker (212, 213) vorgeschaltete Block (271) kann einen ungetakteten Vorverstärker enthalten oder nicht. Die Ansprüche 7 und 8 betreffen die jeweiligen Varianten.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Komparators, wobei außer der Eingangs-Differenzstufe (412, 413) auch eine Speicher-Differenzstufe (432, 433) wie in [1], 7.25 vorhanden ist. Die Lastschaltung (272) ist von zwei Lastwiderständen (410, 411) gebildet. Außer der Speicher-Differenzstufe (432, 433) enthält die Ausgangsschaltung (272) zwei Paare von Emitterfolgem (416–423). Sowohl der Eingangs-Differenzstufe (412, 413) ist erfindungsgemäß eine zusätzliche Stromquelle (426) sowie eine Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (442, 443) mit weiterer zusätzlicher Stromquelle (427) beigefügt, als auch der Speicher-Differenzstufe (432, 433) ist eine zusätzliche Stromquelle (424) sowie eine Speicher-Kompensations-Differenzstufe (452, 453) mit weiterer zusätzlicher Stromquelle (425) beigefügt. Anspruch 9 betrifft eine solche Ausführung mit Speicher, der in der Speicherphase aktiv ist.
  • Des weiteren sind die Stromquellen (415, 420–427) als Widerstände ausgeführt sind. Ist der Komparator hingegen in einer BiCMOS-Technologie ausgeführt, so kann es vorteilhaft sein, einen Teil der Stromquellen (415, 420–427) oder alle als MOS_Stromquellen auszuführen. Ebenso ist es möglich, einen Teil der Stromquellen (415, 420–427) oder alle als Stromquellen mit bipolaren Transistoren auszuführen. Diese Möglichkeiten sind in den Abbildungen nicht aufgeführt. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Komparators kann mit bekannten Schaltungsstrukturen erfolgen.
  • Außerdem ist die Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (442, 443) mit der Eingangs-Differenzstufe (412, 413) an den Kollektoranschlüssen der Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (442, 443) über jeweils in Reihe geschaltete Widerstände (444, 445) verbunden sowie ebenso die Speicher-Kompensations-Differenzstufe (452, 453) mit der Speicher-Differenzstufe (432, 433) an den Kollektoranschlüssen der Speicher-Kompensations-Differenzstufe (452, 453) über jeweils in Reihe geschaltete Widerstände (454, 455) verbunden. Die Verbindung zwischen den neu hinzugekommenen Elementen (424–427, 442, 443, 452, 453) der erfindungsgemäße Lösung und den herkömmlichen Elementen eines Komparators muss nicht direkt erfolgen. Insbesondere können Widerstände in jede der Verbindungsleitungen eingefügt sein. Anspruch 10 betrifft diese Ausführung. Das Einfügen der in Reihe geschalteten Widerstände (444, 445, 454, 455) gemäß Anspruch 10 vermindert die Wirkung, die parasitäre Kapazitäten auf die Knoten an den Lastwiderständen (410, 411) haben, indem die Kollektoren der zusätzlichen Transistoren (442, 443, 452, 453) und die darin enthaltenen Kapazitäten über einen Tiefpass an den Lastwiderständen (410, 411) wirken, also bei hohen Frequenzen die Verstärkung der Eingangs-Differenzstufe (412, 413) und der Speicher-Differenzstufe (432, 433) kaum verringern. Zwar kann nach Anspruch 10 in jede der Verbindungen zwischen einer zusätzlichen und einer herkömmlichen Differenzstufe ein Widerstand eingefügt werden, jedoch sollte an den Basis- und Emitteranschlüssen der Wert klein sein, um das Umladen der Potentialbarriere über dem Basis-Emitter-pn-Übergang nicht wesentlich zu verlangsamen. Am Kollektor hingegen ist das Einfügen eines Serienwiderstands bei den beiden zusätzlichen Differenzstufen (412, 413 und 432, 433) weniger kritisch und sogar vorteilhaft.
  • Mit erfindungsgemäßen Komparatoren nach 2 bis 4 können Analog/Digital-Umsetzer für sehr hohe Taktraten aufgebaut werden. Anspruch 11 betrifft diese besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung.
  • Literatur
    • [1] Razavi, B.: Principles of data conversion system design John Wiley & Sons (12. Dezember 1994) ISBN 0780310934
    • [2] van de Plassche, R.: Integrated Analog-To-Digital and Digital-To-Analog Converters Springer; First Edition (Februar 1994) ISBN 0792394364
    • [3] Patentschrift DE 695 21 844 T2 : ”Hochgeschwindigkeitsvergleicher mit zwei Differentialverstärkerstufen und einer Verriegelungsstufe”
    • [4] Patentschrift DE 29 05 176 A1 : Spannungskomparator

Claims (11)

  1. Getakteter Komparator mit Strobe-Eingang (204; nachfolgend Takt-Eingang genannt), mit differentiellem Vergleichs-Eingang (202, 203) und differentiellem Ausgang (207, 208), enthaltend – eine Lastschaltung (272) mit positivem (281) und negativem Eingang (282) und mit positivem (283) und negativem Ausgang (284), – einen ersten Differenzverstärker (nachfolgend Eingangs-Differenzstufe genannt) mit zwei bipolaren Transistoren (212, 213), deren Kollektoranschlüsse jeweils mit einem der Eingänge (282, 283) der Lastschaltung (272) verbunden sind, und deren Basisanschlüsse jeweils mit dem positiven (202) und negativen (203) Anschluss des Vergleichs-Eingangs verbunden sind, wobei diese Verbindung mit dem Vergleichs-Eingang über einen Block (271) erfolgt, welcher einen ungetakteten Vorverstärker enthalten kann, – eine erste Stromquelle (215); deren Stromausgang über einen mit dem Taktsignal verbundenen Stromschalter-Transistor (214) mit der Eingangs-Differenzstufe (212, 213) verbunden ist, – eine Ausgangsschaltung (273), die mit dem differentiellen Ausgang (283, 284) der Lastschaltung (272) und mit dem differentiellen Ausgang (207, 208) des Komparators verbunden ist, wobei – ein von der ersten Stromquelle (215) ausgegebener Strom durch die Emitter und Kollektoren der Eingangs-Differenzstufe (212, 213) in einem ersten Zustand (nachfolgend Eingangsphase genannt) des Takt-Eingangs (204) fließt, und – dieser von der ersten Stromquelle (215) ausgegebene Strom durch die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) in dem anderen Zustand (nachfolgend Speicherphase genannt) des Takt-Eingangs (204) nicht durch die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) so mit einer zusätzlichen zweiten Stromquelle (226) verbunden ist, dass auch außerhalb der Eingangsphase des Takt-Eingangs (204) ein Strom durch die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) fließt, und b) ein zusätzlicher zweiter Differenzverstärker (242, 243) (nachfolgend Eingangs-Kompensations-Differenzstufe genannt) mit der Eingangs-Differenzstufe (212, 213) verbunden ist, wobei jeder der zusätzlichen Transistoren (242, 243) der Eingangs-Kompensations-Differenzstufe an seinem Basisanschluss mit dem Basisanschluss eines der Transistoren der Eingangs-Differenzstufe (212, 213) verbunden ist, und an seinem Kollektoranschluss mit dem Kollektoranschluss des jeweils anderen der Transistoren der Eingangs-Differenzstufe (213, 212) verbunden ist, und c) die Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (242, 243) so mit einer zusätzlichen dritten Stromquelle (227) verbunden ist, dass auch außerhalb der Eingangsphase des Takt-Eingangs (204) ein Strom durch die Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (242, 243) fließt.
  2. Komparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche zweite Stromquelle (226), die an die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) so angeschlossen ist, dass auch außerhalb der Eingangsphase des Takt-Eingangs (204, 205) ein Strom durch die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) fließt, einen Strom an die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) liefert, welcher gleich groß ist wie der Strom, den die zusätzliche dritte Stromquelle (227) an die Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (242, 243) liefert.
  3. Komparator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche zweite Stromquelle (226), die an die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) so angeschlossen ist, dass auch außerhalb der Eingangsphase des Takt-Eingangs (204, 205) ein Strom durch die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) fließt, aus separaten zusätzlichen Bauelementen gebildet wird.
  4. Komparator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche zweite Stromquelle (226), die an die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) so angeschlossen ist, dass auch außerhalb der Eingangsphase des Takt-Eingangs (204, 205) ein Strom durch die Eingangs-Differenzstufe (212, 213) fließt, aus Bauelementen (315a, 315b) gebildet wird, die bereits Bestandteil der ersten Stromquelle (215) und des Stromschalters (214, 229) sind.
  5. Komparator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Takt-Eingang (204, 205) differentiell mit positivem (204) und negativem Eingang (205) ausgeführt ist.
  6. Komparator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Takt-Eingang (304) als nicht differentieller Anschluss ausgeführt ist.
  7. Komparator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der am Vergleichs-Eingang (202, 203) angeschlossene Block (271) einen ungetakteten Vorverstärker enthält.
  8. Komparator nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der am Vergleichs-Eingang (202, 203) angeschlossene Block (271) keinen ungetakteten Vorverstärker enthält.
  9. Komparator nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – die am Ausgang (407, 408) angeschlossene Ausgangsschaltung (473) einen dritten Differenzverstärker (432, 433) enthält (nachfolgend Speicher-Differenzstufe genannt), welcher von seinem Eingang zu seinem Ausgang und über die Lastschaltung (472) zu seinem Eingang eine positive Rückkopplung aufweist, und – der von der ersten Stromquelle (415) ausgegebene Strom durch die Speicher-Differenzstufe (432, 433) in der Speicherphase des Takt-Eingangs (404, 405) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Speicher-Differenzstufe (432, 433) so mit einer zusätzlichen dritten Stromquelle (424) verbunden ist, dass auch außerhalb der Speicherphase des Takt-Eingangs (404, 405) ein Strom durch die Speicher-Differenzstufe (432, 433) fließt, und b) ein zusätzlicher vierter Differenzverstärker (452, 453) (nachfolgend Speicher-Kompensations-Differenzstufe genannt) mit der Speicher-Differenzstufe (432, 433) verbunden ist, wobei jeder der zusätzlichen Transistoren (452, 453) der Speicher-Kompensations-Differenzstufe an seinem Basisanschluss mit dem Basisanschluss eines der Transistoren der Speicher-Differenzstufe (432, 433) verbunden ist, und an seinem Kollektoranschluss mit dem Kollektoranschluss des jeweils anderen der Transistoren der Speicher-Differenzstufe (433, 432) verbunden ist, und c) die Speicher-Kompensations-Differenzstufe (452, 453) so mit einer zusätzlichen vierten Stromquelle (425) verbunden ist, dass auch außerhalb der Speicherphase des Takt-Eingangs (404, 405) ein Strom durch die Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (452, 453) fließt.
  10. Komparator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) jede der Verbindungen zwischen Eingangs-Kompensations-Differenzstufe (442, 443) mit der Eingangs-Differenzstufe (412, 413) jeweils direkt oder über einen in Reihe geschalteten Widerstand ausgeführt ist, und b) jede der Verbindungen zwischen Speicher-Kompensations-Differenzstufe (452, 453) und der Speicher-Differenzstufe (432, 433) jeweils direkt oder über einen in Reihe geschalteten Widerstand ausgeführt ist, und c) jede der Verbindungen zwischen den zusätzlichen Stromquellen (424–427) und der jeweiligen Differenzstufe (412, 413 bzw. 432, 433 bzw. 442, 443 bzw. 452, 453) jeweils direkt oder über einen in Reihe geschalteten Widerstand ausgeführt ist.
  11. Analog/Digital-Umsetzer, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mindestens einen Komparator nach einem der vorstehenden Ansprüche enthält.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2905176A1 (de) * 1978-02-14 1979-08-16 Trw Inc Spannungskomparator
DE69521844T2 (de) * 1994-06-14 2001-11-22 Nec Corp., Tokio/Tokyo "hochgeschwindigkeitsvergleicher mit zwei differentialverstärkerstufen und einer verriegelungsstufe"

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